Vertical focusing study in the central region of the CYCIAE-100 cyclotron

The vertical focusing is one of the primary problems in the central region of cyclotrons. This focusing effect brought about by the magnetic field is inclined to be weak near the center of the machine due to the fact that the flutter is small, while the electric focusing forces incurred from the dee gaps become very strong. Since the electric focusing effect is dependent on the RF phase, we have proceeded to carry out analytical calculations and numerical simulation about the vertical focusing in the central region of CYCIAE-100, including magnetic focusing, electric focusing and the defocusing effect from the space charge effect. All the results have been used for the design of the central region for CYCIAE-100 and a good vertical focusing has been obtained.     

Stripping extraction calculation and simulation for CYCIAE-100

A 100 MeV H- compact cyclotron is under construction at China Institute of Atomic Energy (CYCIAE-100). The proton beams of 75 MeV-100 MeV at an intensity of 200 μA will be extracted in dual opposite directions by charge exchange stripping devices. The crossing point at the switching magnet center is fixed inside the magnet yoke and the stripping points for various extraction energies are calculated by the code CYCTRS. With the code GOBLIN, we can calculate the transfer matrix including the dispersion effects from the stripping point to the switch magnet. The beam distribution just after stripping foil can be obtained from the multi-particle tracking code COMA and the extracted beam parameters after the switch magnet such as emittance, envelope, dispersion, energy spread, bunch length, etc. are given by the extraction orbit simulations.     

70MHz连续波质子束脉冲化装置

为了进行强流回旋加速器关键技术研究, 中国原子能科学研究院建立了一个强流回旋加速器综合试验装置. 中国原子能研究院将在这个回旋加速器综合试验装置上建立强流脉冲化实验装置, 目标是实现几十至百keV量级的强流束的脉冲化. 具体是将70MHz连续波负氢束脉冲化为重复频率1—8MHz, 脉冲宽度约为10ns的脉冲质子束. 脉冲化装置将主要包括束流切割器和聚束器两大系统. 聚束器采用频率为70.487MHz的双间隙单漂移栅网结构, 可以将直流束压缩到±30°的回旋加速器高频接受相宽之内. 束流切割器将采用频率为2.2MHz的正弦波, 切割后的脉冲宽度将小于8ns, 最后得到的脉冲束的重复频率为4.4MHz.     

100MeV强流质子回旋加速器轴向注入系统和中心区物理设计

100MeV强流质子回旋加速器设计的引出质子束流强为大于200μA, 并计划提供脉冲束流. 轴向注入系统设计有两条注入线, 即1#和2#注入线. 1#注入线利用负氢束的中性化以解决强流连续束流的注入,为保证达到高中性化程度, 横向聚焦均采用磁元件; 2#注入线的设计目的主要是提供一定流强的脉冲化束流,由于脉冲化负氢束的中性化过程难以建立, 因此, 横向聚焦元件均为静电元件. 两条线合理的结构设计使得注入系统可方便切换运行模式. 采用包含空间电荷力的光学计算程序, 匹配不同中性化程度的注入束流光学特性, 匹配工作的重点在于高达40°的高频相位接收度. 从离子源出口到粒子加速前15圈的连续匹配计算结果表明: 所设计的注入系统可有效地控制束流包络, 减少束流损失; 中心区高的高频接收度使设计的100MeV质子回旋加速器具有加速强流负氢束的能力.     

强流回旋加速器中心区模型试验装置上偏转板和中心区技术研究

中心区模型试验装置是进行强流回旋加速器关键技术研究的实验平台. 本文介绍了为该试验装置所设计的偏转板和中心区, 包括物理设计的考虑、数控加工技术及安装精度的控制技术. 由于电磁场的相互作用粒子在偏转板中的的轨迹为螺旋线, 其电极形状复杂, 加工采用四轴联动以上的数控机床完成. 为满足束流动力学的需要, 中心区的电极结构比较复杂而且不规则, 表面光洁度要求高, 另外尺寸和安装位置精度要求严格. 中心区曲面电极结构由三轴联动加工中心加工完成, 中心区地电极与高频D板头部的电极间隙非常重要, 在安装过程中, 制作了专用的``电极间隙通止规"控制电极间隙精度在±0.05mm.     

30MeV医用回旋加速器束流输运线上旋转扫描磁铁的研制

加速器引出束流分布一般都是高斯分布, 而在束流应用中需要更多的是均匀分布的束流. 目前国内研究已经实现了束流的均匀分布, 但事实上这些束流的均匀度不够理想. 因此, 重点介绍了能够使束流实现高均匀分布的旋转扫描磁铁的研制过程, 在理论推敲和实践检测的基础上充分证实: 通过旋转扫描磁铁的作用, 束流可以在目标靶上完全实现高均匀分布. 这项技术在国内实属首创, 其性能已经达到国际同类磁铁的先进水平.     

强流回旋加速器中心区模型试验装置上偏转板和中心区技术研究

中心区模型试验装置是进行强流回旋加速器关键技术研究的实验平台.本文介绍了为该试验装置所设计的偏转板和中心区,包括物理设计的考虑、数控加工技术及安装精度的控制技术.由于电磁场的相互作用粒子在偏转板中的的轨迹为螺旋线,其电极形状复杂,加工采用四轴联动以上的数控机床完成.为满足束流动力学的需要,中心区的电极结构比较复杂而且不规则,表面光洁度要求高,另外尺寸和安装位置精度要求严格.中心区曲面电极结构由三轴联动加工中心加工完成,中心区地电极与高频D板头部的电极间隙非常重要,在安装过程中,制作了专用的"电极间隙通止规"控制电极间隙精度在±0.05mm.     

70MHz连续波质子束脉冲化装置

为了进行强流回旋加速器关键技术研究,中国原子能科学研究院建立了一个强流回旋加速器综合试验装置.中国原子能研究院将在这个回旋加速器综合试验装置上建立强流脉冲化实验装置,目标是实现几十至百keV量级的强流束的脉冲化.具体是将70MHz连续波负氢束脉冲化为重复频率1-8MHz,脉冲宽度约为10ns的脉冲质子柬.脉冲化装置将主要包括束流切割器和聚束器两大系统.聚束器采用频率为70.487MHz的双间隙单漂移栅网结构,可以将直流束压缩到±30.的回旋加速器高频接受相宽之内.束流切割器将采用频率为2.2MHz的正弦波,切割后的脉冲宽度将小于8ns,最后得到的脉冲束的重复频率为4.4MHz.     

紧凑型回旋加速器物理问题及调束技术

介绍了紧凑型回旋加速器CYCIAE-100的特点及设计过程中重点考虑的一些物理问题,如紧凑型直边扇磁铁结构的轴向聚焦、异性高频谐振腔的设计、空间电荷效应等。研究了该加速器的调束技术,包括调束方案、诊断设备布局及径向靶测量的束流信息、物理图像。CYCIAE-100的主磁铁设计中,为降低磁铁和高频腔的加工难度而采用直边扇形磁极,为解决直边扇形磁极在大半径处的轴向聚焦力下降的问题,采用变气隙技术,从而有效提高轴向聚焦力。采用自行开发的基于PIC技术的宏离子模拟程序OPAL-CYCL进行了空间电荷效应的研究,结果表明,CYCIAE-100的极限流强为10 mA。     

Vertical focusing study in the central region of the CYCIAE-100 cyclotron

The vertical focusing is one of the primary problems in the central region of cyclotrons. This focusing effect brought about by the magnetic field is inclined to be weak near the center of the machine due to the fact that the flutter is small, while the electric focusing forces incurred from the dee gaps become very strong. Since the electric focusing effect is dependent on the RF phase, we have proceeded to carry out analytical calculations and numerical simulation about the vertical focusing in the central region of CYCIAE100, including magnetic focusing, electric focusing and the defocusing effect from the space charge effect. All the results have been used for the design of the central region for CYCIAE-100 and a good vertical focusing has been obtained.